JP2004517755A - 改良インクジェット・プリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、インクジェット・プリントヘッド用の半導体シリコン基板チップにインク供給通路を製造する方法と、この方法によって製造されるシリコンチップを備えるインクジェット・プリントヘッドを提供する。この方法は、約300〜800ミクロンの範囲の厚さを有するシリコンチップの第1面にエッチング停止層を塗布する段階と、第1面の反対側の面からエッチング停止層まで、シリコンチップの厚さを貫通する個々のインク通路をドライエッチングする段階と、機械的手法を用いてエッチング停止層にインク通路に個々に連通させる貫通孔を形成する段階とを含む。この方法によって、実質的に垂直な壁を有する通路がシリコンチップの厚さを貫通してエッチングされる。従来のインク通路形成技術とは異なり、この方法は、シリコンチップの処理量をかなり改善し、チップの破損と割れによる損失を低減する。得られるチップは、プリントヘッドの長期使用に対して更に高い信頼性を有する。

Description

【0001】
発明の分野
本発明はインクジェット・プリンタ用のプリントヘッドに関し、より特定的には、改良プリントヘッド構造体とその製造方法に関する。
【0002】
背景
プリントヘッドの製造技術が進歩し続けると、インクジェット・プリンタは改良され続ける。レーザプリンタの速度と品質に近づく低コストで高信頼性のプリンタを提供すべく、新たな技術が絶えず開発されている。インクジェット・プリンタに加えられた利点は、良好な品質又はレーザプリンタよりも良好な品質をもって、レーザプリンタのコストの一部でカラー画像が形成されることである。インクジェット・プリンタによって示される上述の利点の全ては、競争者よりもコスト効率が良い方法で同等のプリンタを提供すべく、供給者の競争を増加させてきた。
【0003】
プリンタ改良の一つの分野は、印刷エンジン又はプリントヘッドそれ自体である。この外観上において簡単な装置は、効果的で更に多用途のプリンタ構成部品を提供するために、電気回路と、インク通路と、正確に組立てられる様々な小さな部品とを備える驚くべき微視的なものである。したがって、プリントヘッドの構成部品をインク及びプリンタによって要求される使用サイクルに適合させることが重要である。生産品質における僅かな変化が、製品の歩留まり及び得られる印刷性能に対して強大な影響を有する。
【0004】
インクジェット・プリントヘッドは、半導体チップと、このチップに取付けられたノズルプレートとを備える。半導体チップは、典型的にはシリコンから作られ、そのデバイス面に堆積された様々なパッシベーション層、導電性金属層、抵抗層、絶縁層及び保護層を含む。個々のヒータ抵抗体は抵抗層中に画成され、各ヒータ抵抗体はインクを加熱し印刷媒体に向けてインクを噴射するノズルプレート中の1つのノズル孔に対応する。プリントヘッドの1つの形態では、ノズルプレートは、半導体チップ10の各ヒータ抵抗体にインクを向かわせるインクチャンバとインク供給チャネルとを備える。中心供給の設計では、化学エッチング又はグリットブラスト仕上げによって半導体チップの厚さを貫通して従来のように形成される1つのスロット又は単一のインク通路から、インクチャネル及びインクチャンバにインクが供給される。
【0005】
インク通路を形成するために半導体チップをグリットブラスト仕上げすることは、この技術によってチップが作られる速度のために好ましい技術である。しかしながら、グリットブラスト仕上げでは製品が脆くなり、シリコン基板中に微視的な割れ又は亀裂をしばしば発生させ、これらは最終的にチップの破損及び/又は故障を招く。さらに、グリットブラスト仕上げは、シリコン基板中に実質的により小さな孔又は高解像度のプリントヘッドに求められる寸法パラメータを有する孔を形成する、経済的に実行可能な製造基準に適合しない。グリットブラスト仕上げの他の不利な点は、ブラスト仕上げプロセス中に汚染源の可能性となる砂及び破片が生成されること、ならびに、粒子がチップ上の電気的構成要素に衝突して電気的故障を引起すことである。
【0006】
ウエット化学エッチング技術はグリットブラスト技術よりも、比較的薄い半導体チップのエッチングにおいて良好な寸法制御を提供する。しかしながら、ウエハの厚さが200ミクロンに近づくと、許容度の困難性がかなり増加する。ウエット化学エッチングでは、フォトリソグラフィのマスキング・プロセスによって通路の寸法が制御される。マスクの位置合わせによって、所望の寸法許容度が与えられる。得られるインク通路は、割れ又は亀裂のない滑らかな縁部を有する。したがって、得られるチップは、グリットブラスト・プロセスによって製造されるチップよりも脆くない。しかしながら、ウエット化学エッチングはシリコンチップの厚さと、エッチング速度及びエッチング許容度に対して変化するエッチング剤濃度とに大きく依存する。ウエット化学エッチングで得られるエッチング・パターンは、少なくともウエハの厚さと同様に幅についてのものである。ウエット化学エッチングはまたシリコン結晶の配向に依存し、結晶格子の向きに対して正しく配列していないと寸法許容度に大きな影響を与える。マスクの位置合わせにおける誤差、ならびに、結晶格子の位置合わせにおける誤差は、受容される製品許容度における全体誤差を招く結果となる。KOHと(100)シリコンを用いる場合、入口幅は出口幅に基板厚さの2倍の平方根を加えたものに等しいので、ウエット化学エッチングは、比較的厚いシリコン基板に対しては実用的でない。さらに、格子の配向に関しては幾らかの位置合わせ誤差が常に存在し、この誤差が比較的大きな出口孔許容度を招くので、ウエット化学エッチングに対して求められる許容度は、小さな孔又は近接して離間する孔に対してしばしば大き過ぎるものとなる。
【0007】
印刷の品質及び速度が進歩する際には、シリコンチップ上において更に近接して離間するようにヒータ抵抗体の数を増加させる必要性が挙げられる。ヒータ抵抗体間の距離を狭くするには、個々のヒータ抵抗体に対する更に信頼性の高いインク供給技術が求められる。プリントヘッドの複雑性が増え続けると、更に要求される製造許容度を満たしつつ高歩留まりで生産可能な長寿命のプリントヘッドが必要となる。このように、改良プリントヘッドの構成要素を提供する改良製造プロセスと製造技術に対する必要性は存在し続ける。
【0008】
発明の概要
上記及び他の目的に関し、本発明は、インクジェット・プリントヘッド用の半導体シリコンチップにインク供給通路を製造する方法を提供するものである。この方法は、約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有するシリコンチップの第1面にエッチング停止層を塗布する段階と、第1面の反対側の面からエッチング停止層まで、シリコンチップの厚さを貫通する1つ以上のインク通路をドライエッチングし、機械的手法によってエッチング停止層に1つ以上の貫通孔を形成する段階であって、1つ以上の貫通孔を対応するインク通路に連通させるために貫通孔の各々が1つ以上の通路の1つに対応するようにした段階とを含む。この方法を用いて、実質的に垂直な壁を有する通路が、シリコンチップの厚さを貫通してエッチングされる。
【0009】
他の特徴において、本発明は、インクジェット・プリントヘッド用のシリコンチップを提供するものである。このシリコンチップは、デバイス層及び基板層を含み、デバイス層は約1〜約4ミクロンの範囲の厚さを有し、基板層は約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有する。デバイス層は複数のヒータ抵抗体を備える露出面を有し、その露出面に堆積された導電層、抵抗層、絶縁層及び保護層によって画成される。シリコンチップはまた、1つ以上のヒータ抵抗体に対応する少なくとも1つのインク供給通路を備え、インク供給通路は基板層を貫通するドライエッチングによって形成され、かつ、機械的手段によって開口され各通路に対応する少なくとも1つの貫通孔をデバイス中に有し、少なくとも1つの貫通孔が対応するインク供給通路に個々に連通する。
【0010】
本発明の利点は、要求許容度を満たし、かつ、1つ以上のヒータ抵抗体に改良されたインク流を提供する1つ以上のインク通路孔が半導体シリコンチップに形成されることである。グリットブラスト技術とは異なり、半導体チップ中に不必要な応力又は微視的な割れを発生させることなくインク通路が形成される。グリットブラスト仕上げに対する許容度が非常に大き過ぎるので、グリットブラスト仕上げは比較的狭いインク通路を形成するのに容易に適合するものではなく、又は、各通路が一度に開けられなければならないので、グリットブラスト仕上げは半導体チップ内に多数の個々の通路を形成するのに容易に適合するものではない。ここでは“ドライエッチング”と言う反応性深絞りイオンエッチング(DRIE)及び誘導結合プラズマ(ICP)エッチングも、エッチング速度がシリコンの厚さ又は結晶の配向に依存しないので、ウエット化学エッチング技術として利点を有する。ドライエッチング技術は、従来のウエット化学エッチング・プロセス及びグリットブラスト・プロセスで製造されるインク通路に比べて対応するヒータ抵抗体に対してより狭い間隔で配置される多数のインク通路の製造に適合する。
【0011】
本発明の更なる利点は、実物大ではない図面であって幾つかの図面を通して同様の参照数字は同様の要素を示す図面との結合を考慮して、詳細な説明を参照することによって明らかになるであろう。
【0012】
発明の詳細な説明
図1を参照するに、本発明は、複数のヒータ抵抗体12と、1つ以上のヒータ抵抗体12に対応する複数のインク供給通路14とを備えるデバイス側を有する半導体シリコンチップ10を提供するものである。半導体チップ10は大きさが比較的小さく、典型的には、約2〜約10ミリメータの幅で約10〜約36ミリメータの長さの範囲の全体的な大きさを有する。グリットブラスト仕上げされたスロットタイプのインク通路をチップ10中に備える従来の半導体チップにおいては、インク通路スロットは約9.7ミリメータの長さで0.39ミリメータの幅の大きさを有する。したがって、チップ10は、製造許容度を考慮しつつ比較的幅の広いインク通路を収容するのに十分な幅と、ヒータ抵抗体とコネクタのための十分な表面積とを有する必要がある。本発明に従って製造されるチップでは、インク通路の孔14は、約5ミクロン〜約200ミクロンの範囲の直径又は長さ及び幅を有し、これによって、インク通路、ヒータ抵抗体及び接続回路に必要なチップ表面積を実質的に低減する。チップ10の大きさを低減することによって、単一のシリコンウエハから得られるチップ10の数を実質的に増加させることができる。したがって、本発明は、従来技術によって製造されるスロットタイプのインク通路を備えるチップにおいて、コスト削減の実質的な増加を提供するものである。
【0013】
インク供給通路14は、半導体基板10の厚さ全体にわたってエッチングされ、インク供給容器、インクカートリッジ又遠隔インク供給体から供給されるインクと連通する。図1の平面図に見られるように、シリコンチップ10のデバイス側の反対側に位置するインク供給容器から、チップ10を通ってチップのデバイス側に、インク通路14によってインクが向けられる。チップ10のデバイス側はまた、好ましくは、1つ以上のヒータ抵抗体を動作させるためにプリンタ・コントローラからの電気的インパルスを与えるフレキシブル回路又はTAB回路にチップを接続するのに用いる接触パッドへと、ヒータ抵抗体から延びる電気的トレーシングを備える。
【0014】
図1において、単一のインク通路14が1つのヒータ抵抗体12と対応関係にある。したがって、チップ10上にはヒータ抵抗体12と同数のインク通路14が存在する。インク通路14とヒータ抵抗体12との別の配置が、図1Aに示される。この例では、インク通路16は図1のインク通路14よりも実質的に大きい。図1Aにおけるチップ18の各インク通路16は、2つ以上のヒータ抵抗体12と対応関係にある。例えば、インク通路20はヒータ抵抗体22及び24と対応関係にある。更に他の実施態様では、隣接する4つ以上のヒータ抵抗体に対して1つのインク通路14でインクを供給する。
【0015】
図1又は1Aの半導体シリコンチップを備えるプリントヘッド26の部分断面図が、実物の大きさではないが図2に示される。図に見られるように、プリントヘッドは、基板層32とデバイス層34とを有するシリコンチップ10を取付けるための凹部又はチップポケット30を内部に有するチップキャリア又はカートリッジ本体28を含む(図1)。デバイス層34は、好ましくは、下記においてより詳細に説明される二酸化シリコン(SiO)からなるエッチング停止層である。二酸化シリコンに代わる、又はこれに加えて用いられるエッチング停止材料は、レジスト、金属、金属酸化物及び他の公知の停止材料を含む。良く知られた半導体製造技術によって、ヒータ抵抗体12がデバイス層34上に形成される。
【0016】
インク通路14を形成し、デバイス層34上に抵抗層、導電層、絶縁層及び保護層を堆積させた後に、接着剤38のようなUV−硬化性又は熱硬化性のエポキシ材料である1つ以上の接着剤によって、チップ10のデバイス層34側にノズルプレート36が取付けられる。接着剤38は、好ましくは、B−段階熱硬化性樹脂のような熱硬化性接着剤であり、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、レゾルシン樹脂、エチレン−尿素樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂を含むがこれらに限定されるものではない。接着剤38は、好ましくは、チップ10をチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付ける前に硬化され、接着剤38は、好ましくは、約1〜約25ミクロンの厚さを有する。特に好ましい接着剤38は、熱と圧力によって硬化されるフェノールブチラール接着剤である。
【0017】
ノズルプレート36は複数のノズル孔40を備え、各ノズル孔はインクチャンバ42とインク供給チャネル44とに連通し、インクチャンバ42とインク供給チャネル44は、レーザアブレーションのような手段によってノズルプレート内に形成される。好ましいノズルプレート材料は、表面46にインクをはじくコーティングを備えたポリイミドである。これに代わって、インク供給チャネルを、ノズルプレートとは独立して、当業者に公知の方法によって塗布及びパターン化されたフォトレジスト中に形成してもよい。
【0018】
ノズルプレート36及び半導体チップ10は、好ましくは、ノズルプレート36のノズル孔40が半導体チップ10上のヒータ抵抗体12に位置合わせされるように、光学的に位置合わせされる。ノズル孔40とヒータ抵抗体12とが正しく位置合わせされていないと、プリントヘッド26からのインク滴の方向が正しくなく、インク滴の容量が正確でなく、或いは、十分なインク滴速度が得られないというような問題が生じる。したがって、ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10の位置合わせは、インクジェット・プリントヘッドの特有の機能に対して重要である。図2に見られるように、インク通路14も、好ましくはインクチャネル44に位置合わせされ、インクが、インク通路14、インクチャネル44及びインクチャンバ42と連通する。
【0019】
ノズルプレート36をチップ10に取付けた後に、フレキシブル回路又はTAB回路48のトレースを半導体チップ10の接続パッドに接続するために、ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10の半導体チップ10は、TABボンダー又はワイヤを用いてフレキシブル回路又はTAB回路48に電気的に接続される。接着剤38の硬化後に、ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10は、ダイボンド接着剤50を用いてチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付けられる。ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10は、好ましくは、チップポケット30においてチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付けられる。チップ10の縁部52とチップポケット30との間にインクが流れるのを防止するための実質的な液密シールを提供すべく、半導体チップ10の縁部52の周囲が接着剤50でシールされる。
【0020】
ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10をチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付けるのに用いられるダイボンド接着剤50は、好ましくは、ニュージャージー(Newjersey)のエマーソン(Emerson) アンド(&) キューミング(Cuming) オブ(of) モンローエ(Monroe) タウンシップ(Township)から、商品名ECCOBOND 3193−17の下に入手可能なダイボンド接着剤のようなエポシキ接着剤である。熱伝導性のチップキャリア又はカートリッジ本体28の場合には、ダイボンド接着剤50は、好ましくは、銀又は窒化ホウ素のような熱伝導率を高めるもので充填された樹脂である。好ましい熱伝導性ダイボンド接着剤は、ローデアイランド(Rhode Island)のアルファ(Alpha) メタルズ(Metals) オブ(of) クランストン(Cranston)から入手可能なPOLY−SOLDER LTである。窒化ホウ素のフィラーを含有する好適なダイボンド接着剤50は、サンジョゼ(San Jose)、カルフォルニア(Califonia)のブライト(Bryte) テクノロジーズ(Technologies)から商品名G0063の下に入手可能である。接着剤50の厚さは、好ましくは約25ミクロンから約125ミクロンの範囲である。典型的には接着剤50を硬化し、かつ、チップキャリア又はカートリッジ本体28にノズルプレート/チップのアセンブリ36/10を固定して取付けるのに、熱が必要である。
【0021】
一度、ノズルプレート/チップのアセンブリ36/10がチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付けられると、フレキシブル回路又はTAB回路48が、感熱性又は感圧性の接着剤54を用いてチップキャリア又はカートリッジ本体28に取付けられる。好ましい感圧性接着剤54は、フェノールブチラール接着剤、アッシュランド(Ashland)、ケンタッキー(Kentucky)のアッシュランド(Ashland) ケミカルズ(Chemicals)から入手可能なAEROSET 1848のようなアクリルベースの感圧性接着剤、ならびに、セントポール(St.Paul)、ミネソタ(Minnesota)の3Mコーポレーション(Corporation)から入手可能なSCOTCH WELD 583のようなフェノールブレンド接着剤を含むが、これらに限定されるものではない。接着剤54は、好ましくは約25〜約200ミクロンの範囲の厚さを有する。
【0022】
ノズル孔40からのインクの噴射を制御するために、各半導体チップ10は、プリントヘッド10が取付けられるプリンタ内の印刷コントローラに電気的に接続される。印刷コントローラとプリントヘッド10のヒータ抵抗体12との間の接続は、チップ10のデバイス層34の接触パッドを終端とする電気的トレースによって提供される。電気的なTABボンド又はワイヤーボンドの接続が、フレキシブル回路又はTAB回路48と半導体基板10上の接触パッドとの間に施される。
【0023】
印刷操作の間、1つ以上のヒータ抵抗体12を動作させるためにプリンタ・コントローラから電気的インパルスが提供され、これによって、インクチャンバ42内のインクを加熱してインクの成分を蒸発させ、これによって、印刷媒体に向けてノズル40を通してインクを出す。インクチャンバ内のバブルの崩壊と毛管作用とによって、インクチャネル44とインクチャンバ42はインクで再充填される。インク供給容器からチップキャリア又はカートリッジ本体28内のインク供給スロット56を通ってチップ10内のインク供給通路に、インクが流れる。グリットブラスト技術によって製造される通路14とは異なり本発明の方法によって製造されるインク通路14は、構造的な完全性がより高く、かつ、配置精度がより高いチップ10を提供することが認識されるであろう。構造的な完全性がより高いチップ10を提供するためには、半導体チップ10への損傷を最小とする通路14を形成することが重要である。
【0024】
シリコン半導体チップ10内にインク通路14を形成するのに好ましい方法は、反応性深絞りイオンエッチング(DRIE)及び誘導結合プラズマ(ICP)エッチングから選択されるドライエッチング技術である。両技術は、フッ素化合物から誘導される六フッ化硫黄(SF)、テトラフルオロメタン(CF)及びトリフルオロアミン(NF)のようなエッチングガスを含むエッチング・プラズマを用いる。特に好ましいエッチングガスは、SFである。パッシベーティングガスもまた、エッチング・プロセスの間に用いられる。パッシベーティングガスは、トリフルオロメタン(CHF)、テトラフルオロエタン(C)、ヘキサフルオロエタン(C)、ジフルオロエタン(C)、オクトフルオロブタン(C)及びこれらの混合物から選択されるガスから誘導される。特に好ましいパッシベーティングガスは、Cである。
【0025】
シリコン半導体チップ10内に通路14のドライエッチングを施すために、チップは、好ましくは、デバイス層34の表面において、SiO、フォトレジスト材料、金属及び金属酸化物、すなわち、タンタル、酸化タンタル等から選択されるエッチング停止材料でコーティングされる。同様に、基板層32は、好ましくは、デバイス層の反対側で、保護層58又はSiO、フォトレジスト材料、タンタル、酸化タンタル等から選択されるエッチング停止材料でコーティングされる。SiOエッチング停止層34及び/又は保護層58は、熱成長法、スパッタリング又はスピニングによってシリコンチップ10に塗布にされてもよい。フォトレジスト材料は、チップ10上にフォトレジスト材料をスピニングすることによって、保護層58又はエッチング停止層34としてシリコンチップ10に塗布されてもよい。
【0026】
デバイス層34は基板層32に比べて比較的薄く、一般に、デバイス層34に対する基板層32の厚さの比として約125:1〜約800:1を有する。同様に、保護層は基板層32に比べて比較的薄く、一般に、保護層に対する基板層の厚さの比として約30:1〜約800:1を有する。したがって、約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有するシリコン基板層32に対して、デバイス層34の厚さは約1〜約4ミクロンの範囲であり、保護層58の厚さは約1〜約30ミクロン、好ましくは約16〜約20ミクロンの範囲である。
【0027】
チップ10内の通路14は、チップ10のいずれかの側からデバイス層34又は保護層58のようなエッチング停止層が施された反対側まで、チップ10内でパターン化されてもよい。例えば、フォトレジスト層又はSiO層は、保護層58として塗布されてもよい。例えば紫外線光とフォトマスクを用いて通路14の位置を画成するために、フォトレジスト層はパターン化される。
【0028】
図3に示すチップ10内の通路14の位置もまた、2段階プロセスを用いてパラーン化される。第1段階では、ドライエッチング技術を用いて(又はウエハの加工中に)チップ10のデバイス層側で通路14が開口される。通路14は、好ましくは約50ミクロン未満で深さ方向にエッチングされる。次いで、デバイス層34はフォトレジスト層又はSiO層でコーティングされ、チップを貫通するように通路14を完成するために、チップ10はデバイス層34の反対側からドライエッチングされる。2段階プロセスの結果として、通路の位置及び大きさが更により正確になる。
【0029】
次いで、パターン化されたチップ、或いは、エッチング停止層又はデバイス層34及び保護層58を備えたチップ10は、プラズマガス源、ならびに、ヘリウムと水のような後側冷却を有するエッチング・チャンバ内に配置される。エッチング・プロセスの間、約400℃以下、最も好ましくは約50℃〜約80℃の範囲にシリコンチップ10を維持することが好ましい。このプロセスでは、SFから誘導されるエッチング・プラズマ及びCから誘導されるパッシベーティング・プラズマを用いて、シリコンの反応性深絞りイオンエッチング(DRIE)又は誘導結合プラズマ(ICP)エッチングが行なわれ、保護層58側からデバイス層34側に向けてチップ10がエッチングされる。
【0030】
エッチング・プロセスの間において、通路14がデバイス層34に達するまで、パッシベーティング・プラズマ段階とエッチング・プラズマ段階の間でプラズマが循環される。各段階の循環時間は、各段階に対して、好ましくは約5〜約20秒である。エッチング・チャンバ内のガス圧は、約−20℃〜約35℃の範囲の温度において、好ましくは約15〜約50ミリトールの範囲である。DRIE又はICPのプラテン電力は、好ましくは約10〜約25ワットであり、コイル電力は、約10〜約15MHzの範囲の周波数において、好ましくは約800ワット〜約3.5キロワットである。エッチング速度は、約2〜約10ミクロン/分以上であり、約88度〜約92度の範囲で傾斜する側壁面を有する孔を形成する。エッチング装置は、ゲント(Gwent)、ウエイルズ(Wales)のサーフィス(Surface) テクノロジー(Technorogy) システムズ(Systems) リミテッド(Ltd.)から入手可能である。シリコンをエッチングする手順及び装置は、バードワ(Bhardwaj)らのヨーロッパ出願第838,839A2、バードワ(Bhardwaj)らの米国特許第6,051,503号、バードワ(Bhardwaj)らのPCT出願でWO00/26956に記載されている。
【0031】
エッチング停止層SiOに達すると、通路14のエッチングが終了する。ウエハ・ウォッシャーの高圧水洗を用いてインク通路14の位置にあるデバイス層34を通すブラスティングによって、デバイス層34に孔を形成し、この孔をチップ10のインク通路14に連通するように接続してもよい。完成したチップ10は、好ましくは、通路14がデバイス層34上の対応するヒータ12から約40〜約60ミクロン離間するように、チップ10内に位置する通路14を備える。インク通路14は、チップ10上の各ヒータ抵抗体12と1対1の対応関係を成すようにしてもよく、又は、ヒータ抵抗体12よりも多いか又は少なくてもよい。このような場合、各インク通路14はヒータ抵抗体12のグループにインクを供給する。特に好ましい実施態様では、インク通路14は個々の孔又は開口であり、各孔又は開口は対応するヒータ抵抗体12に隣接している。各インク通路14は、約5〜約200ミクロンの範囲の直径を有する。
【0032】
他の実施態様では、図4に示すように、チップ10内に通路14を形成する前に又はその後にシリコン基板を化学エッチングすることによって、チップ10の後側又は基板層32側に幅広の溝60が形成される。溝60の化学エッチングは、KOH、ヒドラジン、エチレンジアミン−ピロカテコール−HO(EDP)又はテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)及び従来の化学エッチング技術を用いて行なわれる。上述のように、溝60を形成する前に又はその後に、デバイス層34側から又は保護層58側からシリコンチップ10内で通路14はエッチングされる。上述のように、溝60はまた、チップ10のDRIE又はICPエッチングによって形成されてもよい。溝60が化学エッチング技術によって形成される場合、好ましくは、窒化珪素(SiN)の保護層58がチップ10における溝位置をパターン化するのに用いられる。溝の形成が完成すると、ドライエッチング・プロセスの間にシリコン材料を保護すべく、ドライエッチングのシリコンのためにSiOの保護層58又は他の保護材料が基板層32に塗布される。
【0033】
溝60は、好ましくは、約50〜約300ミクロン又はそれ以上の深さでチップ10内に形成される。溝60は、チップ10内の全通路14を互いに連通接続するのに十分な幅が必要であり、或いは、通路14の平行な列を互いに接続するように、通路列62のための溝と通路列64のための溝のような別個の平行な溝60を用いてもよい。通路14の形成が完成すると、チップ10から保護層58を除去するのが好ましい。
【0034】
本発明の更なる特徴が図5〜7に示される。これらの図において、通路66及び68は、矩形又は長円形の形状を成し、多数のヒータ抵抗体12に隣接する長いスロットである。DRIE技術を用いた上述のように、スロット66と68が半導体基板10内に形成される。インク通路66及び68は実質的に垂直な壁70及び72を有し、図4について上述したように、チップ10の後側又は基板層32側に幅広の溝74を備えていてもよい。
【0035】
従来のグリットブラスト技術によって形成される通路は、典型的には約2.5mm〜30mmの長さで、かつ、120ミクロン〜1mmの幅である。グリットブラスト仕上げされた通路の許容度は、±60ミクロンである。これと比較すると、本発明によって形成された通路は、10ミクロンの長さで、かつ、10ミクロンの幅の小ささをもって製造される。DRIE技術によって形成される通路長さには実質的に上限がない。DRIE通路に対する許容度は、約±10〜約±15ミクロンである。本発明によるDRIE技術を用いて、円形、正方形、矩形及び長円形の形状を成す通路を含むいかなる形状の通路も製造される。グリットブラスト技術又はウエット化学エッチング技術を用いて比較的厚いシリコンチップに、10ミクロン程度の小さい孔を形成するのは、例え不可能でないにしても困難である。さらに、通路は、本発明によるDRIE技術を用いてチップのいずれかの側からエッチングされる。グリットブラスト技術を用いれば、多数の孔又は通路14が連続的にではなく一時に製造され、かつ、ウエット化学エッチング技術によるよりも非常に高速で製造される。
【0036】
前述のドライエッチング技術によって形成される通路14を有するチップ10は、ブラスト技術によって製造される通路14を備えるチップよりも実質的に高強度であり、チップを備えるプリントヘッドの早発な故障を引起す割れ又は亀裂を示さない。前述のプロセスによって通路位置の精度が大幅に改良され、エッチングの均一度は約4%を越える。
【0037】
ウエット化学エッチングと比べると、本発明によるドライエッチング技術は、シリコンチップ10の結晶の配向に依存しないで行なわれるので、チップ10内においてより高精度に配置される。ウエット化学エッチングは約200ミクロン未満のチップ厚さに適しているが、約200ミクロンを超えるチップ厚さに対してはエッチング精度が大幅に低減する。ウエット化学エッチング技術には高腐食性の化学薬品が用いられるが、本発明によるDRIE技術に用いられるガスは、実質的に不活性である。ウエット化学エッチングによって製造される通路形状は結晶格子の配向に依存するが、DRIEによって製造される通路の形状は本質的に制限されるものではない。例えば(100)シリコンチップにおいて、KOHは典型的には、先進の補償技術を用いることなく正方形と矩形をエッチングするだけである。本発明によるDRIE技術では、結晶格子が配列する必要はない。
【0038】
本発明によって製造されるドライエッチングされたシリコンチップとグリットブラスト仕上げされたシリコンチップとの強度の比較は、下記表に示される。下記表において、シリコンチップ中に通路を形成するために、グリットブラスト技術及びDRIE技術を用いて多数の試料が調製された。試料の各セットにおける通路は、デバイス側及びブランク側においてほぼ同じ幅と長さとされる。表に示される“チップ縁部から通路までの平均距離”の測定値は、チップの縁部から通路の長手軸に沿って取られた通路の縁部までの測定値である。“平均通路幅”の測定値は、通路の幅方向の軸に平行な方向に沿って各通路を横切るほぼ同じ点における測定値である。
【0039】
捩り試験では、ローラーベアリングによって支持される回転モーメントアームを供える一端部を有する捩り試験機を組立てた。チップを保持するための穴開きロッドを、モーメントアームの一端部に接続した。固定部に取付けられた固定穴開きロッドによって、反対側の端部にチップを保持した。テフロン(登録商標)圧子を試験フレーム内のロードセルに接続し、モーメントアームに接するようにして用いた。アームが回転する際にモーメントアームの下方にある圧子の動きによって付加される摩擦を低減するために、テフロン(登録商標)圧子が用いられる。用いられるクロスヘッド速度は0.2インチ/分(5.08mm/分)であり、モーメントアームの中心から圧子までは2インチ(50.8mm)であった。
【0040】
3点曲げ試験では、3点の修正曲げ固定部を設けた。固定部表面の欠陥によってチップ試料の応力点が発生するのを防止するために、レールとナイフ縁は3ミクロンのダイヤモンドペーストで平坦になるように磨いた。試験機のレールは3.5mmのスパンを有し、用いたレールの半径とナイフ縁は約1mmであった。試料は固定部に配置され、レールを収容する下方支持の中心で、かつナイフ縁の直下においてインク通路に視覚によって位置合わせされた。クロスヘッド速度は0.5インチ/分(1.27mm/分)であり、全試料は破壊まで負荷された。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
表1に見られるように、本発明によるDRIE法を用いて製造される、インク通路を備えたシリコンチップは、グリットブラスト技術によって製造される同様の大きさの通路に比べて高い捩り強度を示した。グリットブラスト仕上げされた通路を備えるチップとDRIE通路を備えるチップとの強度における更に劇的な比較が、表2に見られる。この表は、このようなチップの3点曲げ強度を比較するものである。チップの各タイプにおける平均強度を比較することによって分かるように、DRIE技術によって製造される通路を備えるチップは、グリットブラスト仕上げされた通路を備えるチップの4倍を超える強度を示した。DRIE技術によって製造される通路の増大した強度は相当な大きさであって、全く予想されるものではなかった。
【0044】
反応性イオンエッチングの方法は、ほぼ全部記載したかのように参考としてここに挙げたハインズ(Haynes)らの米国特許第6,051,503号に記載されている。エッチングの有用な手順と装置もまた、バードワ(Bhardwaj)らのヨーロッパ出願第838,839号、バードワ(Bhardwaj)らのWO00/26956号、グイバラ(Guibarra)らのWO99/011887号に記載されている。エッチング装置は、ゲント(Gwent)、ウエイルズ(Wales)のサーフィス(Surface) テクノロジー(Technorogy) システムズ(Systems) リミテッド(Limited)から入手可能である。
【0045】
本発明の様々な特徴と実施態様、ならびに、その幾つかの利点を説明したが、特許請求の範囲及びその意図の範囲内で、本発明における様々な修飾、置換及び修正が可能であることが、当業者によって認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、本発明の1つの特徴によるインク通路とヒータ抵抗体の配置を示す半導体チップの一部の平面図である。
【図1A】
図1Aは、本発明によるインク通路とヒータ抵抗体の他の配置を示す半導体チップの一部の平面図である。
【図2】
図2は、インクジェット・プリンタ用の実物大でないプリントヘッドの一部の断面図である。
【図3】
図3は、本発明の第1の特徴による半導体チップの一部の切取り斜視図である。
【図4】
図4は、本発明の第2の特徴による半導体チップの一部の切取り斜視図である。
【図5】
図5は、本発明の第3の特徴による半導体チップの一部の平面図である。
【図6】
図6は、本発明の第3の特徴による半導体チップの一部の切取り斜視図である。
【図7】
図7は、本発明の第4の特徴による半導体チップの一部の切取り斜視図である。

Claims (34)

  1. インクジェット・プリントヘッド用の半導体シリコン基板チップにインク供給通路を製造する方法であって、
    約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有するシリコンチップの第1面にエッチング停止層を塗布する段階と、
    前記第1面の反対側の面から前記エッチング停止層まで、前記シリコンチップの厚さを貫通する1つ以上のインク通路をドライエッチングする段階と、
    機械的手法によって前記エッチング停止層に1つ以上の貫通孔を形成する段階であって、前記1つ以上の貫通孔を対応する前記1つ以上のインク通路に個々に連通させるために前記貫通孔の各々が前記1つ以上の通路の1つに対応するようにした段階と、を含み、
    これによって、実質的に垂直な壁を有する通路が前記シリコンチップの厚さを貫通してエッチングされる方法。
  2. 前記インク通路が約5〜約800ミクロンの範囲の直径幅又は長さを有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記シリコンチップの厚さを基礎として約1:10〜約1:800の範囲における前記シリコンチップに対する前記エッチング停止層の厚さの比で、前記エッチング停止層が塗布される、請求項1に記載の方法。
  4. エッチング・プラズマとパッシベーション・プラズマとの間の循環中に前記ドライエッチングが行なわれる、請求項1に記載の方法。
  5. 前記エッチング・プラズマが、六フッ化硫黄(SF)、テトラフルオロメタン(CF)及びトリフルオロアミン(NF)から成る群から選択されるガスから誘導されるプラズマを含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記エッチング・プラズマがSFから誘導されるプラズマを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記パッシベーション・プラズマが、トリフルオロメタン(CHF)、テトラフルオロエタン(C)、ヘキサフルオロエタン(C)、ジフルオロエタン(C)、オクトフルオロブタン(C)及びこれらの混合物から成る群から選択されるガスから誘導されるプラズマを含む、請求項4に記載の方法。
  8. 前記パッシベーション・プラズマがCから誘導されるプラズマを含む、請求項7に記載の方法。
  9. 前記ドライエッチングが、反応性深絞りイオンエッチング(DRIE)技術及び誘導結合プラズマ(ICP)エッチング技術から選択される、請求項1に記載の方法。
  10. 前記インク通路の少なくとも一部を互いに連通させるために、前記シリコンチップに前記インク通路をドライエッチングする前に、前記シリコンチップの第1面の反対側の面に約50〜約300ミクロンの範囲の深さに溝を化学的にエッチングする段階を更に含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記インク通路の少なくとも一部を互いに連通させるために、前記シリコンチップに前記インク通路をドライエッチングした後に、前記シリコンチップの第1面の反対側の面に約50〜約300ミクロンの範囲の深さに溝を化学的にエッチングする段階を更に含む、請求項1に記載の方法。
  12. 前記化学エッチングが、水酸化カリウム、ヒドラジン、エチレンジアミン−ピロカテコール−HO及びテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドから成る群から選択されるウエット化学エッチング剤を用いて前記シリコンチップを異方的にエッチングすることを含む、請求項10に記載の方法。
  13. 請求項1の方法によって作られたシリコンチップに取付けられたノズルプレートを含む、インクジェット・プリントヘッド。
  14. 請求項12の方法によって作られたシリコンチップに取付けられたノズルプレートを含む、インクジェット・プリントヘッド。
  15. インクジェット・プリントヘッド用のシリコンチップであって、
    デバイス層及び基板層を含み、
    前記デバイス層が約1〜約4ミクロンの範囲の厚さを有し、
    前記基板層が約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有し、
    前記デバイス層が複数のヒータ抵抗体を備える露出面を有し、該デバイス層は前記露出面に堆積された導電層、抵抗層、絶縁層及び保護層によって画成され、
    当該シリコンチップが、前記1つ以上のヒータ抵抗体に対応する少なくとも1つのインク供給通路を備え、
    前記少なくとも1つのインク供給通路が、前記基板層を貫通するドライエッチングによって形成され、かつ、機械的手段によって前記デバイス層に開口され各通路に対応する少なくとも1つの貫通孔を有し、該少なくとも1つの貫通孔が対応する前記少なくとも1つの前記インク供給通路に個々に連通する、シリコンチップ。
  16. 前記デバイス層の反対側の前記基板層に設けられた保護層を更に含む、請求項15に記載のシリコンチップ。
  17. 前記保護層が約1〜約30ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項16に記載のシリコンチップ。
  18. 前記保護層の厚さを貫通して化学的にエッチングされ、かつ、前記基板層の厚さの一部が化学的にエッチングされたインク供給通路溝であって、前記1つ以上のインク供給通路の少なくとも一部の間でのインクの連通を提供するインク供給通路溝を更に含む、請求項16に記載のシリコンチップ。
  19. 前記溝が約50〜約300ミクロンの範囲の深さを有する、請求項18に記載のシリコンチップ。
  20. 前記基板層の厚さの一部が化学的にエッチングされたインク供給通路溝であって、前記インク供給通路の少なくとも一部の間でのインクの連通を提供するインク供給通路溝を更に含む、請求項15に記載のシリコンチップ。
  21. 前記溝が約50〜約300ミクロンの範囲の深さを有する、請求項20に記載のシリコンチップ。
  22. 2個、3個又は4個のヒータ抵抗体に対応する少なくとも1つの通路を前記チップが含む、請求項15に記載のシリコンチップ。
  23. チップの全ヒータ抵抗体にインクを供給する長いインク通路を前記チップが備える、請求項15に記載のシリコンチップ。
  24. 請求項21のシリコンチップに取付けられたノズルプレートを含むインクジェット・プリントヘッド
  25. インクジェット・プリントヘッド用の半導体シリコン基板チップにインク供給通路を製造する方法であって、
    約300〜約800ミクロンの範囲の厚さを有するシリコンチップの第1面にフォトレジスト層を塗布し、
    前記シリコンチップを貫通した1つ以上のインク供給通路の位置を画成するために、フォトマスクで前記フォトレジスト層をパターン化し、
    前記1つ以上のインク供給通路の位置において、前記シリコンチップの厚さを貫通する1つ以上のインク通路をドライエッチングし、
    これによって、実質的に垂直な壁を有する通路が前記シリコンチップの厚さを貫通してエッチングされる方法。
  26. 多数のインク通路が前記シリコンチップを貫通してエッチングされ、かつ、前記インク通路が約10〜約200ミクロンの範囲の直径を有する、請求項25に記載の方法。
  27. エッチング・プラズマとパッシベーション・プラズマとの間の循環中に前記ドライエッチングが行なわれる、請求項25に記載の方法。
  28. 前記エッチング・プラズマがSFから誘導されるプラズマを含む、請求項27に記載の方法。
  29. 前記パッシベーション・プラズマが、Cから誘導されるプラズマを含む、請求項27に記載の方法。
  30. 前記ドライエッチングが、反応性深絞りイオンエッチング(DRIE)技術及び誘導結合プラズマ(ICP)エッチング技術から選択される、請求項25に記載の方法。
  31. 前記1つ以上のインク通路の少なくとも一部を互いに連通させるために、前記シリコンチップに前記1つ以上のインク通路をドライエッチングする前に、前記シリコンチップの第1面の反対側の面に約50〜約300ミクロンの範囲の深さに溝を化学的にエッチングすることを更に含む、請求項25に記載の方法。
  32. 前記化学エッチングが、水酸化カリウム、ヒドラジン、エチレンジアミン−ピロカテコール−HO及びテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドから成る群から選択される化学エッチング剤を用いて前記シリコンチップを異方的にエッチングすることを含む、請求項31に記載の方法。
  33. 前記チップが長いインク通路を備える、請求項25に記載の方法。
  34. 請求項25の方法によって作られるシリコンチップに取付けられたノズルプレートを含むインクジェット・プリントヘッド。
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